软磁动态特性智能化测试初探
Seek of Dynamic Intelligentize Test of Soft Magnetic Materials
1 引言
计算机科学理论与技术正处于迅速发展阶段，微型计算机在各个测量领域得到了广泛地应用，对非电量信号的测量来说是一个飞跃。航天电子产品中的磁性元件应用较多的是软磁材料，在特定的、不同的工作状态下，软磁材料的动态特性就显得尤为重要了。软磁材料的动态特性测量是一门专业性较强的测试技术，随着软磁材料的新发展、高性能、广应用，就要求提高测量的速度和准确度，减少测量电路复杂的硬件，减少多种因素给测量带来的影响，并且能够对测量过程智能化控制。于是发挥微机的软件和控制优势，利用其运算、存储能力，应用微型计算机及外围设备建立一个智能化自动测试系统来实现这一目标。
2 智能化软磁动态特性测试系统及工作原理
建立一个智能化软磁材料测试系统，微机是智能化测试系统的核心，通过人机对话，接收到键盘或鼠标的信息后，发出特定的控制信号到某个电路或进行某种数据的处理，通过总线来寻址、传送。微机通过接口发出各种控制信息给测试电路，规定功能、启动测量、改变工作方式等。通过查询测试电路的输入信息或向微机中央处理器提出中断申请，使微机中央处理器了解测试电路的工作情况，微机中央处理器对采集的测量数据进行存储、运算、变换等处理后，最后将测试结果显示打印。
2.1 建立系统的框图（如图1）

2.2 电源及样品部分
处在周期交变磁场的软磁材料，由于磁性后效和涡流退磁作用等动态效应的存在，磁化状态是不均匀的，其磁性表现不仅与材料的物质磁性有关，而且与样品的形状尺寸和磁化场的波形频率有关，所以软磁测量首先应提供电源、制备样品。
为了适应各类软磁材料坡莫合金、铁氧体、非晶态、超微晶等材料的测试。要求励磁电源频率范围达到10Hz～1MHz，电源功率达到200W。智能化测试系统要求用微机控制电源，微机利用可控数字频率合成（DDFS）技术及DAC模数转换技术实现电源的控制，再通过功率放大器提高功率输出。原理框图（图2）：

2.3 样品制作
软磁材料的样品形状和尺寸取决于测量对磁化均匀性和最大磁化场强度Hm的要求，制备供测量用的样品形状一般为环形，为了使磁化场有好的均匀性，要求环形样品内外半径的比值r1/r2>0.8为佳。
环形样品绕制线圈时，包两层聚四氟乙烯薄膜，保证线圈与磁芯之间的绝缘，以减少介电损耗；而且要单层、均匀、紧贴磁环表面，尽可能减少漏感的影响；若测试频率较高，分布电容影响较大时，可采用双股绕线法。
样品的等效参数计算按GB2845《闭路磁芯等效参数计算方法》。
3 特性曲线的测量
测量框图见（图3）。

测量原理，利用安培环路定理∮HdL=N1Ie，可知样品磁化电流Ie：Ie=LeHm/(√2N1)，当调节磁化电源使样品磁化，环形样品截面的磁场强度的平均值为：H=N1Ie/(2πr)，式中等效半径r=(r2-r1)/In(r2/r1)，N1为初级线圈匝数。如果样品截面积为S，次级线圈匝数为N2，那么感应电动势E=2f∫[-N2(dΦ/dt)]dt=-2fN2∫dΦ=4fN2Φm=4fN2SBm，可得出Bm=E/(4fN2S)。
磁场强度H由非电量向电信号表示的转变，采样电阻R上产生正比于磁化电流的电压，比例放大器调整后，输出正比于Hm的电压Vh=Kh(LeR/N1)Hm。
磁感应强度B由非电量向电信号表示的转变，测量线圈N2中的感应电动势E=-N2（dΦ/dt），经积分放大器转换成正比于B（t）的电压，再由比例放大器Kb进行数值调整，输出正比于Bm的电压Vb=4KbN2fSBm。
在磁化电流由零开始增大使磁化场达到饱和磁化场的过程中，可以测出动态磁化曲线（图4）的数据。动态幅度磁导率曲线（图5）的测量，只需要应用计算机软件做一个除法器，就可以得到该曲线μa=Bm/(μoHm)的数据，μo真空磁导率。将样品反复磁化后，测量动态磁滞回线（图6）的磁状态B(t)、磁化场H(t)数据。



交、直流迭加时的动态特性曲线（图7）测量，电路需要增加直流电源和样品上的磁化线圈N3和大自感扼流圈L。磁放大器和滤波器的软磁铁芯，常处于交流磁场和直流磁场同时作用的磁状态，其磁性参数常用交直流迭加磁导率表示一周期中正负峰值的平均值，用软件完成平均值计算，因为交流磁场瞬时值和直流磁场同向时的磁感应强度大，反向时的磁感应强度小。
为了避免积分电容剩余电量引起零点飘移，电路要采用积分控制器。为了使B(t)保持良好的正弦波形，减小材料的谐波损耗，必须尽量减小磁化电路中的铜电阻，也可以采用谐波负反馈技术抑制B(t)信号中的高次谐波影响。

4 磁特性参数的测量
软磁材料在高磁感应时的损耗P（一周期中的铁磁损耗功率）等于磁滞损耗与涡流损耗之和用公式表示如下：P=aBm1.6f+eBm2f2式中a，e为损耗系数，则w=aBm1.6+eBm2f;
在频率范围很广的电子技术中，软磁性材料主要用于制造感抗元件，并工作在低磁感应强度的瑞利区，即H与B近似为线性关系。其损耗由三部分组成：磁滞损耗W=∮HdB=πμ0μ2Hm2、涡流损耗、剩余损耗，比损耗因子在频率不高时表示为：
1/（Qμ1）=2π(ef+aBm+c)
复数磁导率μ=μ1-jμ2，μ1为弹性磁导率，μ2为损耗磁导率，μa为幅度磁导率，tan=δμ2/μ1损耗角δ的正切值，品质因数Q=1/tanδ，测量框图见图8。
4.1 修正海氏电桥测量铁损
样品线圈在图8电路中是被测桥臂，G为检零器，R1、R2、R3、R4是无感电阻箱，R3、C3组成可变容性阻抗桥臂，R3、C3的电阻电容值是微机通过数字模拟开关来调整，RW用于线圈电阻R0的补偿电阻，测量要对样品退磁。调节电源电压使次级线圈的电压表Va为标定磁感应所对应的数值时，反复调节C3、R3使电桥平衡。R2必须足够小，以保证B为正弦波。电桥是否平衡是通过检零器输入微机的信号显示。

平衡时：Va=4KfN2SBm，Rp=R2R4/R3， Lp=R2R4C3式中Rp、Lp分别是样品线圈的并联等效电阻电感，得到样品的铁磁损耗：P=（4LN1VaR3）/N2mR2R4Le）
式中：m为样品质量，Le为有效磁路长度，L为几何磁路长度，N1为初级线圈匝数，N2为次级线圈匝数。
4.2 应用麦克斯韦电桥测量复数磁导率的平衡条件是：

Rs=R2R4/R3 Ls=R2R4C3
Rs、Ls分别为样品线圈的串联等效电阻、电感，μ 0为真空磁导率。由RsLs计算出复数磁导率μ～=μ1-jμ2；K为线圈变压比。

在采用等比匹配电桥时，检零器的灵敏度起着决定性作用，通过微机诊断检零器输入的平衡信号，能提高灵敏度。R3、C3的电阻电容值是由微机通过数字模拟开关来调整。损耗、磁导率等参数的计算是通过计算机的软件完成。电桥适用的频率范围由组成元件和检零器的频响特性、桥路与环境之间的杂散耦合、电桥的种类有关。如欧文电桥的使用频率范围在50Hz～10KHz，麦克斯电桥的使用频率范围可达100KHz，改进海氏电桥的使用频率范围可达10MHz。
5 输入信号前通道电路
5.1 采用保持电路
在模拟信号量化过程中，首先将H、B信号用时间离散的连续函数来表示，并在A/D转换器对模拟量进行量化时的转换时间T内，应保持采样点的函数值不变才能保证转换的精度。
S/H采样保持电路一般框图（图9）：

模拟开关一般用场效应管做成，要求场效应管的开关速度高、极间电容小，开启电压小、导通电阻小、反向漏电流小。
存储电容选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，运算放大器在S/H电路中起输出缓冲和输入隔离的作用。
5.2 A/D模数转换电路
通过A/D转换将采样保持的电压信号进行量化，下面采用逐次逼近型集成A/D0809转换器。在启动脉冲上升沿作用时，将8位寄存器复零，下降沿作用时开始转换。框图见图10。



5.3 I/O接口电路
I/O接口是微机与外围设备及测试电路之间的桥梁。能启动、终止输入信号的A/D转换，对测量信号通过查询方式或中断控制方式，使数字信号进入微机数据总线后存储。
主机板I/O接口地址，这些地址为系统使用，控制存储器、中断控制、运算处理器等，扩展I/O接口地址供显示器、鼠标、打印机等使用。
6 数据存储及处理
主程序及功能子程序存放在程序存储器，采集的数据存放在信号存储器，经过筛选处理和函数运算后的数据存放在测量存储器，要显示的测量结果和波形数据存放在显示存储器，作为标准的波形和参数及信息数据存放在参数存储器。
测量数据的筛选，从统计概率上判断离群值是否为异常值，如果主观地将本来不是异常值的测量值作为异常值舍弃，表面上看测量精度提高了，但这是一种虚假的高精度，因此对数据要求进行科学计算后判断，根据概率论中心极限定理，对于大量的、独立的、微弱的因素的影响，随机变量服从正态分布，应用拉依达准则：

当离群值Xd舍弃后，需要根据保留的数据重新计算方差值Φ，并再应用拉依达准则寻找新的异常值，通过微机筛选数据，直到无异常值为止。
7 键盘、显示器、打印机等外设
终端显示器将微机的程序、测量数据等用字符和图形显示出来，键盘是通过命令键和数字键完成人对微机系统的控制，打印机将测量的结果打印出来，用来记录存档。这些外设与微机有专用的接口连接。
8 软件部分
微机对软磁材料整个测试过程的智能化控制，都是通过软件程序来完成。显示窗口、对话窗口、菜单命令、电路参数、测量时序、接口控制、数据存储、显示打印等都可以用VISUAL BASIC语言编程实现。
利用软件实现测试系统的自检。第一步，通过特定数据的存储、显示来检查存储器和显示器部分的故障；第二步，给定一电信号经过S/H、A/D、I/O通道，用来检查输入信号前通道电路的故障；第三步，用测试标准样品的方法，检查测试电路的故障。
利用软件建立误差模型修正系统误差，根据测试标准样品的参数，实现测试系统的自校准。
附图表：菜单（图13）、测量界面（图14）、主程序流程（图15）。



9 结束语
国内一些磁性测量的院所已研制出软磁动态特性智能化测试仪器，但和国外的测试仪器（如日本岩崎公司的SY8232B-H分析仪等）比较，还有相当的差距。本文只想通过抛砖引玉，借鉴国内先进的软磁动态特性智能化测量技术来完善我国软磁动态特性测试系统和测试技术。■

参考文献
[1] 《物理测量原理与测试分析方法》兰州大学出版社 1994年
[2] 《智能仪器原理及应用》国防工业出版社 1993年
[3] 《I/O接口程序设计》机械工业出版社 1996年
[4] 《数字化测度技术》航空工业出版社 1989年